冷却塔免费制冷系统在大连地区的应用研究

张殿光 高 兴 张 宁



冷却塔免费制冷系统在大连地区的应用研究

张殿光1,2高 兴2张 宁2

（1.大连海洋大学海洋与土木工程学院 大连 116023； 2.辽宁省渔业装备工程技术研究中心 大连 116023）

研究了冷却塔如何在过渡季节实现制冷的原理和实现形式以及应用条件，分析了大连地区应用冷却塔制冷系统的可行性，并以香格里拉酒店空调系统改造为例，分析了该系统的经济性和节能性，为冷却塔免费制冷系统在大连地区建筑节能改造中的应用提供了有益的参考。

冷却塔；免费；节能

0 引言

随着经济和科技的发展，世界各国科研学者对于中央空调冷却水系统节能的研究越来越多，也越来越重视。哈尔滨工业大学的马最良、孙宇辉[1-3]等主要研究了冷却塔自然供冷技术的原理，分析了影响节能效果的因素（系统形式、建筑负荷、气象条件等）。给出并分析了节能率、供冷温度等可用作设计参考的预测结果。许双霜、任世堔、王菊花[4-6]等人分别通过实际工程项目分析了武汉、南京、重庆等地区使用冷却塔直接供冷空调系统可行性、节能性、经济性。通过计算得到冷却塔供冷技术应用后的能耗，对比得出，该技术在各自地区有一定的应用前景。

1 冷却塔供冷的原理

冷却塔制冷技术又称水侧免费供冷技术即指在常规空调水系统基础上适当增设部分管路及设备，当室外湿球温度降低至某个值时，关闭制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，以达到节能的目的[7,8]。我们知道冷却塔是利用部分冷却水蒸发吸热来降低冷却水温的。冷却水理论能降低到的极限温度为当时室外空气的湿球温度。随着过渡季及冬季的到来，室外气温逐渐下降，相对湿度降低室外湿球温度也随着降低，从而冷却塔出口水温也随之降低。而此时建筑室内湿负荷及冷负荷也在不断的下降，空调末端所需除湿量减少，适当提高冷冻水水温，减少其除湿能力，完全能满足空调系统舒适性的要求。若此时冷却水出口水温与空调末端此时所需冷冻水水温相吻合，免费供冷就成为可能。目前，国内新建和已建成的开敞式现代办公楼中的空调方式多采用风机盘管加新风系统。这些建筑物的内区往往要求空调系统全年供冷，而在过渡季或冬季，当室外空气烩值低于室内空气设计焓值时又无法利用加大新风量来进行免费供冷。对此，应该利用冷却塔供冷技术，通过水系统来利用自然冷源。在空调系统中，冷水机组的能耗占有极高的比例，如用冷却塔供冷技术可少开或不开冷水机组，其节能效果将会是显著的。

2 冷却塔供冷的系统形式

2.1 直接供冷系统

直接供冷系统是指在原有空调水系统中设置旁通管道，将冷冻水环路与冷却水环路连接在一起的系统，如图1。夏季按常规空调水系统运行，转入冷却塔供冷时，将制冷机组关闭，通过阀门打开旁通，使冷却水直接进入用户末端。系统中冷却塔开式闭式均可。采用开式冷却塔时，冷却水与外界空气直接接触易被污染，污物易随冷却水进入室内空调水管路，从而造成盘管被污物阻塞，故采用此种形式时要做好水质处理。

虚线代表过渡季节运行，实线代表夏季运行

2.2 间接供冷系统

如图2所示冷却塔间接供冷系统是在原有空调水系统中附加一台板式换热器以隔离开冷却水环路和冷冻水环路，在过渡季切换运行不会影响水泵的工作条件和冷冻水环路的卫生条件。

虚线代表过渡季节运行，实线代表夏季运行

3 室外转换温度的确定

冷却塔供冷的室外转换温度如何确定是此技术的关键点，它的确定直接关系到系统供冷时数，进而直接影响到整个系统的节能效果。转换温度的确定主要根据过渡季节或冬季室内的余热量、余湿量及室内参数，通过焓—湿图确定供水温度。同时考虑冷却塔的特性来确定。

3.1 直接供冷时室外转换温度的确定

一般空调系统中，冷冻水环路进出口水温为7/12℃，温差为5℃，选择这样的温度的冷冻水主要是为了夏季空调除湿满足舒适性要求。同时设备选型是按照最大设计热负荷选定的，且留有余量，由于季节、昼夜和用户负荷的变化，实际空调热负荷在绝大部分时间内远比设计负荷低，一年中负荷率在50%以下的小时数约占全部运行时间的50%以上，故实际运行中冷冻水温差要小于5℃，供水温度也高于7℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1.0～3.0℃。

对于舒适性空调，冷负荷随季节变化较大，负荷下降将直接导致冷却塔进出水温差Δ减小（两者呈线性关系）。

建筑冷负荷=c××Δ

假设水系统循环流量不变，水的比热容c为常数。从冷却塔冷却特性曲线可以看出在温差为3℃时（60%负荷下，此为典型的过渡季节舒适性空调负荷），冷却塔供冷所需湿球温度为9℃左右，同时供冷温度可相应提高到14℃左右。

由空调原理可知：

￠=/d（1）

式中，为室外空气含湿量，kg/kg干空气；d为室外干球温度t下对应的饱和空气含湿量，kg/kg干空气。

根据饱和湿空气性质表可拟合出公式（2）：

d=1(t) （2）

由室外干球温度t，及公式（2）可以求出d，由公式（1）可求出，由公式（3）可求出室外空气的焓。

=1.01t+(2500+1.84t) kJ/kg干空气（3）

从空调原理可知，-图上的等湿球温度线和等焓线基本重合，因此可以把等焓线与=100%线交点的温度当作湿球温度t，t可由拟合公式（4）计算出。

t=2() （4）

这样，就可以根据测量到的室外干球温度t和室外空气相对湿度，用公式（1）～（4）很方便地求出室外湿球温度t来。

所以，对于舒适性空调，室外转换温度可以定为室外湿球温度9～10℃。

3.2 间接供冷时室外转换温度的确定

对于采用板式换热器的间接供冷，考虑室外转换温度时，只需在直接供冷的基础上考虑板式换热器的换热温差，板换我们一般可按2～5℃温差考虑。

4 过程控制

根据室外温度的变化和室内负荷的改变，在冷却塔供冷期间可做如下调控：

（1）在冷却塔供冷初期，由于室外温度较高，此时可将冷却塔串联连接（冷却塔冷幅随冷却填料尺寸增大而减小，故对于多台套冷却塔系统可采用串联冷却塔的方法来增加冷却效果），同时风机开到最大功率，以降低供水水温度。

（2）随着室外温度的降低，冷却塔分开运行，同时开风机。

（3）随着室外温度的进一步降低，可以关掉风机，靠自然风冷。

在室外温度达到冷却塔供冷的最低点后，再反之操作。即整个控制过程为：（1）-（2）-（3）-（2）-（1）。

5 冷却塔供冷的经济性分析

现以大连市某大厦的空调改造为例，对冷却塔供冷的经济性进行分析。为了分析的方便，假设该大厦需全年供冷。

5.1 工程概况

冷负荷：1178kW；

冷源：美国开力19XL冷水机组（制冷量400Rt）1台；

冷冻水泵：流量=240m3/h，扬程=110mH2O，功率=55kW，1台；

冷却水泵：流量=312m3/h，扬程=34mH2O，功率=47kW，1台；

冷却塔：1台。

由于该大厦存在南北分区，故南侧的房间在冬季不供热的情况下经测试仍可达到27摄氏度左右。同时大厦对照明系统进行了改造，增加了用电负荷，从而增加了照明冷负荷。具体情况如表1所示。

表1 照明温升表

从表中可以看出在南向冬季的单人间温度可以达到28.5℃，此时虽是冬季，但仍然需要供冷。

5.2 大连气象概况

大连地区年平均气温10℃左右。8月最热平均气温24℃，平均最高气温27.3℃，平均最底气温21.4℃。最冷月份为1月，平均气温为-4.7℃，平均最底气温是-7.7℃，平均最高气温-0.9℃。市区历史最高气温35.3℃，最低气温-21.1℃。年平均相对湿度64-72%。

表2 大连气象数据统计表

经分析可知大连的冷却塔供冷理论最大小时数为：直接供冷时达1000小时；间接供冷时达900小时。保守估计直接供冷时可达到900小时；间接供冷时可达800小时。

5.3 改造费用

直接供冷和间接供冷可选择使用，在热交换器加旁通。

表3 冷却塔供冷改造设备安装投资一览表

续表3 冷却塔供冷改造设备安装投资一览表

表4 间接供冷改造设备安装投资一览表

续表4 间接供冷改造设备安装投资一览表

5.4 每年节省费用

在冷却塔供冷期间，冷水机组和冷却水泵不工作，节约的费用主要是这两部分的电费。计算时电价按0.9元/度计算。

直接供冷：节省费用=0.9×（654+30×2）×900 =578340（元）。

间接供冷：节省费用=0.9×（654+30×2）×800 =514080（元）。

5.5 经济分析

回收年限：对于直接供冷，回收年限为：280260÷578340=0.489。

对于间接供冷，回收年限为：436020÷514080=0.848。

从上面的分析可以看出，如果采用冷却塔直接供冷方式时，改造成本可以在半年内收回。采用冷却塔间接供冷时，改造成本可在一年内收回。

6 结论

综上所述，冷却塔供冷是一种既经济又实用的节能方式。在我国北方地区有着广阔的应用前景。是我们实现节能社会的一种具体的良好选择。

[1] 马最良,孙宇辉.冷却塔供冷系统运行能耗影响因素的研究与分析[J].暖通空调,2000,30(6):20-22.

[2] 马最良,孙宇辉.冷却塔供冷技术在我国应用的模拟与预测分析[J].暖通空调,2000,30(2):5-8.

[3] 马最良,孙宇辉.冷却塔供冷技术的原理及分析[J].暖通空调,1998,(6):27-30.

[4] 许双霜.武汉地区过渡季节和冬季冷却塔供冷的适用性研究[D].武汉:华中科技大学,2011.

[5] 王在峰.冷却塔供冷系统在既有建筑空调节能改造中的应用研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[6] 王菊花,方宇.重庆地区商业内区冷却塔免费供冷性能研究[J].发电与空调,2013,34(2):49-53.

[7] 张宝建.冷却塔供冷系统在电子厂空调系统节能改造中的应用研究[D].上海:东华大学,2016.

[8] 漆海兵.冷却塔供冷系统设计研究[J].制冷技术,2013,33(2):57-61.

Application of Cooling Tower Free Refrigeration System in Dalian

Zhang Dianguang1,2Gao Xing2Zhang Ning2

( 1.Dalian Ocean University, Dalian, 116023; 2.Liaoning fishery equipment Engineering Technology Research Center, Dalian, 116023 )

This paper studies the cooling tower in the transition season how to realize refrigeration principle and implementation and application conditions, analyzes the feasibility of application of cooling tower cooling system in Dalian area, and to transform the Shangri-La Hotel air-conditioning system as an example, analyzed the economy and energy efficiency of the system, provide a useful reference for the application of cooling the tower free refrigeration system in building energy saving in Dalian.

cooling tower; free; energy saving

TU831.6

A

1671-6612（2018）02-131-06

张殿光（1977.11-），男，博士，副教授，E-mail：56147962@qq.com

2017-09-26